차세대 이차전지 상용화 문제 해결 실마리 제시

2024.05.12 (일)

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과학기술

차세대 이차전지 상용화 문제 해결 실마리 제시

경희대 기계공학과 김두호 교수 연구팀, 나트륨 이온 배터리 충전 문제 해결

김의진 기자
등록 2023.03.08 22:02

[디지털금융신문] 경희대학교 기계공학과 김두호 교수 연구팀이 고려대학교 화학생명공학과 유승호 교수 연구팀과 공동 연구를 진행해 차세대 이차전지 상용화 문제를 해결할 실마리를 제시했다. 연구 결과는 세계적 학술지 ‘Advanced Science’(IF=17.521)에 올 2월 공개됐다.

현재 산업계에서는 리튬 이온 전지를 주로 활용하고 있지만, 제한적인 리튬 매장량과 수요 증가에 따른 가격 상승은 부담스러운 요인이다. 반면 나트륨(Na)은 손쉽게 구할 수 있어 리튬 대비 가격 경쟁력이 높고, 리튬과 비슷한 충·방전 메커니즘을 지닌다. 최근에는 세계적인 이차전지 기업이 나트륨 이온 배터리 상용화 목표를 천명하고, 연구에 매진하고 있다.

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리 대비 충전 중 극심한 구조 변화가 일어나 상대적으로 급속 충전에 더 취약하다. 연구팀은 공동 연구를 통해 이런 구조 변화 문제를 해결할 실마리를 찾았다.

층상 구조를 가지는 양극재는 ‘전이 금속층’과 ‘알칼리 금속층’ 두 가지 층으로 나뉜다. 리튬과 나트륨 두 이차전지의 가장 두드러지는 차이는 알칼리 금속층 구조에서 나온다. 리튬 이온 배터리의 알칼리 금속층은 팔면체 구조를 이루지만, 나트륨 이온 배터리는 삼각기둥 형태다. 나트륨 이온 배터리는 고전압 영역에서 구조 변형이 일어나 충전이 어렵다. 연구진은 나트륨 이온의 확산 특성이 감소해 급속 충전이 어려워 티타늄 금속을 도핑했다고 설명했다.

연구팀은 나트륨 이온 배터리에 티타늄(Ti) 금속을 도핑한 결과 티타늄 도핑이 나트륨 이온 배터리의 구조 변형을 방지해 고전압에서도 안정적인 특성을 보인다는 사실을 확인했다.

김두호 교수는 “나트륨 이온 배터리는 고전압 영역에서 삼각기둥 구조에서 팔면체 구조로 변하는데, 티타늄 도핑 나트륨 이온 배터리는 도핑한 티타늄이 산소와 강하게 결합해 다른 전이 금속층과 강한 반발력을 가져 구조 변화가 관찰되지 않았다”고 설명했다. 연구팀은 나트륨 이온 배터리의 구조 변화를 막는 현상을 ‘잠재적 기둥 효과(Potential Pillar Effect)’로 명명했다.

나트륨 이온 배터리는 수명 특성이 짧고, 고전압에서 충전 효율이 급감하는 단점이 있는데 티타늄 도핑을 통해 문제 해결에 기여할 수 있다. 또 티타늄은 나트륨과 같이 지각 매장량이 풍부하면서도 독성이 적어 가격 경쟁력도 높다.